ТАСС, 25 марта. Российские физики обнаружили механизм, который объясняет, почему пузырьки газа внутри таблеток ядерного топлива образуются очень быстро. Это открытие позволит сделать ядерные реакторы более эффективными и безопасными, пишет пресс-служба МФТИ со ссылкой на статью в Journal of Nuclear Materials.
"Суперкомпьютерное моделирование позволило обнаружить неожиданный механизм ускорения выхода газовых пузырей из кристаллической матрицы диоксида урана на поверхность. Этот результат указывает путь для устранения парадоксального расхождения в несколько порядков между существующими теоретическими моделями и результатами экспериментов с ядерным топливом", – говорится в сообщении.
Ядерное топливо представляет собой порошок из окиси урана, а также различных органических и неорганических присадок, спрессованный в таблетки весом в несколько грамм. Их производство и использование – сложный процесс, так как внутренняя структура и химический состав этих капсул меняется по мере распада атомов урана и взаимодействия радиации с оболочками этих таблеток.
Понимание того, как происходят эти изменения, важны по нескольким причинам. С одной стороны, безопасность ядерного реактора напрямую зависит от того, как эти таблетки деформируются и как протекает их химическая эволюция. С другой, меняющийся состав этих капсул влияет на то, как долго расщепляющиеся вещества будут вырабатывать энергию.
Физики МФТИ Владимир Стегайлов и Александр Антропов изучили один из подобных процессов, в результате которого внутри таблеток ядерного топлива формируются пузырьки из ксенона и других газов, а потом попадают во внешнюю среду.
Это явление изучено достаточно хорошо, однако ученые до сих пор не знают, какие процессы управляют выделением газа и какие факторы влияют на формирование его пузырьков. В частности, недавно исследователи выяснили, что этот процесс протекает в десятки раз быстрее, чем указывают простые теоретические модели.
Российские ученые нашли причину этого и определили, по какому механизму формируются пузырьки ксенона. Они просчитали, как происходит этот процесс на уровне отдельных атомов, с помощью суперкомпьютеров и алгоритмов, которые недавно разработали для просчета формирования и поведения пустот внутри таблеток ядерного топлива.
Новые расчеты показали, что пузырьки газа будут формироваться под действием того же аналога силы Архимеда, который, как обнаружили физики год назад, влияет на рост и миграции пустот в толще таблеток ядерного топлива. В частности, ученые выяснили, что пузырьки газа будут особым образом взаимодействовать с атомами урана, выталкивая их из кристаллической решетки и заставляя собираться в скопления, которые будут быстро перемещаться вокруг пузыря.
Эти группы атомов урана и газа, по словам исследователей, будут постоянно подталкивать друг друга. Это ускоряет их миграции и объясняет, почему пузырьки ксенона и других газообразных продуктов распада урана покидают таблетки ядерного топлива в десятки раз быстрее, чем на то указывает теория.
Открытие этого явления, как надеются ученые, поможет создать более эффективные варианты упаковки ядерного топлива, которые не только повысят его безопасность, но и сделают их более долговечными и эффективными.